1. SEGUNDA LEY Ing. Luis David Narvez TERMODINMICA La segunda ley de la termodinmica nos indica que el calor uye naturalmente de un cuerpo caliente (como una mazorca tierna recin cocinada) a uno fro (como esta porcin de mantequilla). Es posible que alguna vez el calor uya de un cuerpo fro a uno caliente?

2. DIRECCIN DE PROCESOS TRMICOS Todos los procesos termodinmicos que se dan en la naturaleza son procesos irreversibles, es decir, procesos que se efectan espontneamente en una direccin pero no en otra 3. MQUNAS TRMICAS Un dispositivo que transforma calor parcialmente en trabajo o energa mecnica es una mquina trmica El tipo de mquina ms fcil de analizar es aquel donde la sustancia de trabajo efecta un proceso cclico, es decir, una sucesin de procesos que al nal deja la sustancia en el estado que inici Todas las mquinas trmicas absorben calor de una fuente a una temperatura relativamente alta, realizan un trabajo mecnico y desechan o rechazan algo de calor a una temperatura ms baja 4. MQUNAS TRMICAS Si un sistema pasa por un proceso cclico, sus energas internas inicial y nal son la misma. Para todo proceso cclico, la primera ley de la termodinmica exige que: Una cantidad de calor Q es positiva cuando se transfiere a la sustancia de trabajo, y negativa si sale de dicha sustancia. As, en una mquina trmica, Qh es positivo pero Qc es negativo, pues representa calor que sale de la sustancia de trabajo 5. DIAGRAMAS DE FLUJO DE ENERGA Y EFICIENCIA El calor QH suministrado a la mquina por la fuente caliente es proporcional a la anchura de la tubera de entrada en la parte superior del diagrama. La anchura de la tubera de salida abajo es proporcional a la magnitud en el escape. El ramal de la derecha representa la porcin del calor suministrado que la mquina convierte en trabajo mecnico, W. El calor neto Q absorbido por ciclo: La salida til de la mquina es el trabajo neto W: 6. EFICIENCIA TRMICA Idealmente, nos gustara convertir todo el calor Q en trabajo; en tal caso, tendramos QH= W y QC=0. La experiencia muestra que esto es imposible; siempre se desperdicia algo de calor y QC nunca es cero. Denimos la eciencia trmica de una mquina, denotada con e, como un cociente e es el cociente de dos cantidades de energa y por lo tanto es un nmero puro, sin unidades. 7. EFICIENCIA TRMICA Un motor de gasolina de un camin toma 10 000 J de calor y produce 2000 J de trabajo mecnico por ciclo. El calor se obtiene quemando gasolina, cuyo calor de combustin es Lc= 5.0 X 10 ^4 J/g. a) Calcule la eciencia trmica del motor. b) Cunto calor se desecha en cada ciclo? c) Cunta gasolina se quema en cada ciclo? d) Si el motor ejecuta 25 ciclos por segundo, qu potencia desarrolla en watts y en hp? e)Cunta gasolina se quema por segundo? Y por hora? Anlisis de una mquina trmica 8. MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA 9. CICLO OTTO En la prctica, este gas sale del motor como escape y no vuelve a entrar en el motor pero, dado que entra una cantidad de aire y gasolina equivalente, podemos considerar que el proceso es cclico. La cantidad r se llama razn de compresin; en los motores de automviles modernos, r suele estar entre 8 y 10 10. REFRIGERADORES Consideremos que un refrigerador es como una mquina trmica que opera en reversa. Una mquina trmica toma calor de un lugar caliente y lo cede a un lugar ms fro. Un refrigerador hace lo contrario; toma calor de un lugar fro (el interior del refrigerador) y lo cede a un lugar ms caliente (generalmente al aire del sitio donde est el refrigerador). Una mquina trmica tiene una salida neta de trabajo mecnico; el refrigerador requiere una entrada neta de trabajo mecnico Por la primera ley para un proceso cclico: 11. REFRIGERADORES Observe que la relacin de valor absoluto es vlida tanto para mquinas trmicas como para refrigeradores. Desde un punto de vista econmico, el mejor ciclo de refrigeracin es el que saca el mximo de calor del refrigerador con el menor gasto de trabajo mecnico, Por tanto, la razn relevante es cuanto mayor sea dicha razn. 12. REFRIGERADORES - DOMSTICOS 13. ACONDICIONADOR DE AIRE Los acondicionadores de aire operan segn el mismo principio del refrigerador. En este caso, la caja del refrigerador es una habitacin o todo un edicio. 14. ENTENDIENDO LA SEGUNDA LEY Las pruebas experimentales sugieren que es imposible construir una mquina trmica que convierta calor totalmente en trabajo, es decir, una mquina con una eciencia trmica del 100%. Un refrigerador lleva calor de un cuerpo ms fro a uno ms caliente, aunque para funcionar requiere un aporte de energa mecnica o de trabajo. 15. ENTENDIENDO LA SEGUNDA LEY 16. ENTENDIENDO LA SEGUNDA LEY 17. CICLO DE CARNOT La temperatura de la caja del fogn de una mquina de vapor es mucho mayor que la temperatura del agua en la caldera, as que el calor uye irreversiblemente del fogn al agua. La bsqueda de Carnot para entender la eciencia de las mquinas de vapor lo llev a la idea de que una mquina ideal implicara slo procesos reversibles. De acuerdo con la segunda ley, ninguna mquina trmica puede tener eciencia del 100%. Qu tanta eciencia puede tener una mquina, dadas dos fuentes de calor a temperaturas TH y TC ? El ingeniero francs Sadi Carnot (1796-1832) contest esta pregunta en 1824, cuando invent una mquina trmica idealizada hipottica que tiene la mxima eciencia posible, congruente con la segunda ley. El ciclo de esta mquina se denomina ciclo de Carnot. 18. PASOS DEL CICLO DE CARNOT El ciclo de Carnot consiste en dos procesos isotrmicos y dos adiabticos, todos reversibles. La gura muestra un ciclo de Carnot que emplea como sustancia de trabajo un gas ideal en un cilindro con un pistn, y consta de los siguientes pasos: 1. El gas se expande isotrmicamente a temperatura TH, absorbiendo calor QH (ab). 2. El gas se expande adiabticamente hasta que su temperatura baja a TC (bc). 3. El gas se comprime isotrmicamente a TC , expulsando calor |QC| (cd). 4. El gas se comprime adiabticamente hasta su estado inicial a temperatura TH (da). 19. PASOS DEL CICLO DE CARNOT 20. CICLO DE CARNOT Una mquina de Carnot toma 2000 J de calor de una fuente a 500 K, realiza trabajo, y desecha calor a una fuente a 350 K. Cunto trabajo efecta, cunto calor expulsa y qu eciencia tiene? Anlisis de una mquina de Carnot 21. CICLO DE CARNOT Suponga que 0.200 moles de un gas diatmico con comportamiento ideal (y=1.40) efecta un ciclo de Carnot con temperaturas de 227 C y 27 C. La presin inicial es p1= 10.0 x 10^5 Pa. y, durante la expansin isotrmica a la temperatura superior, se duplica el volumen. a) Calcule la presin y el volumen en los puntos a, b, c y d del diagrama pV de la gura. b) Calcule Q, W y U para cada paso y para todo el ciclo. c) Determine la eciencia directamente a partir de los resultados del inciso b) y comprela con el resultado de la ecuacin. Anlisis de una mquina de Carnot 22. EL REFRIGERADOR DE CARNOT Dado que cada paso del ciclo de Carnot es reversible, todo el ciclo podra revertirse, convirtiendo la mquina en refrigerador. El coeciente de rendimiento del refrigerador de Carnot se obtiene combinando la denicin general de K. 23. EL REFRIGERADOR DE CARNOT Si el ciclo descrito en el ejemplo anterior se efecta hacia atrs como refrigerador, qu coeciente de rendimiento tiene? Anlisis de un refrigerador de Carnot 24. Entropa y desorden La segunda ley de la termodinmica, tal como la planteamos, tiene una forma un tanto distinta de la de muchas leyes fsicas que el lector ya conoce. No es una ecuacin ni una relacin cuantitativa, sino un planteamiento de imposibilidad. No obstante, s podemos expresar esta ley como una relacin cuantitativa empleando el concepto de entropa. La entropa tiene unidades de energa entre temperatura; la unidad de entropa en el SI es 1 J/K. 25. Entropa y desorden Un kilogramo de hielo a 0 C se derrite y convierte en agua a 0 C. Calcule el cambio de entropa, suponiendo que la fusin es reversible. El calor de fusin del agua es Lf = 3.34 x 10 ^ 5 J/kg Las molculas de agua estn acomodadas en un patrn regular y ordenado en un cristal de hielo. Al derretirse el hielo, los puentes de hidrgeno entre las molculas se rompen, aumentando el desorden y la entropa del agua. Cambio de entropa durante la fusin